具有密集親鋰位點(diǎn)的三維共價(jià)有機框架保護層助力高性能鋰金屬電池

【研究背景】 鋰(Li)金屬具有極高的理論比容量(3860 mAh?g?1)和低電化學(xué)電位 (?3.04 V vs. 標準氫電極)，因此被廣泛用作高能量密度電池的負極材料。然而，鋰枝晶的不可控生長(cháng)和循環(huán)充放電過(guò)程中活性鋰的持續消耗，導致鋰金屬電池的庫侖效率低、循環(huán)壽命短。在鋰負極上構建保護層，是抑制鋰枝晶形成并提高循環(huán)性能的有效策略。共價(jià)有機框架材料(COF)是通過(guò)共價(jià)鍵連接構建的，鑒于它們高度穩定的框架和一維開(kāi)放通道，一些含有親鋰單元的二維(2D)COFs已經(jīng)被用作負極保護層，以追求高性能的鋰金屬電池。到目前為止，已經(jīng)使用了例如喹啉、酞酰亞胺、三嗪環(huán)和氟化基團等親鋰單元來(lái)構建2D COFs作為保護層。然而，2D COFs的一維開(kāi)放孔道容易誘導鋰枝晶沿著(zhù)有序方向生長(cháng)，而且片層堆疊會(huì )阻礙親鋰位點(diǎn)在充放電過(guò)程中的充分利用。與2D COF相比，三維(3D) COF具有沿3D方向延伸的框架，避免了層間Π-Π堆疊相互作用。然而，由于親鋰基團的多樣性和密度不足，電池表現出較差的動(dòng)力學(xué)性能。因此，構建具有致密親鋰基團的3D COF以實(shí)現均勻的鋰吸附和沉積仍然是一項重大挑戰，這可能為追求高性能鋰金屬電池提供新思路。 【工作介紹】 近日，中國科學(xué)院上海高等研究院曾高峰、徐慶課題組提出了一種新型的三維共價(jià)有機框架(3D COF)作為鋰金屬電池的保護層。他們基于誘導柔性的6-連接環(huán)三磷腈衍生物醛和4-連接卟啉基四苯胺合成一種具有致密親鋰位點(diǎn)的3D COF?？蚣苤械牧纂姝h(huán)和卟啉環(huán)作為富電子和親鋰位點(diǎn)，促進(jìn)Li+沿3D方向的快速傳輸，從而實(shí)現了在集流體上高度平滑和致密的Li沉積。該文章發(fā)表在國際頂級期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。鄭雙和付鈺彬為本文第一作者。 【內容表述】 本文的核心要點(diǎn)是開(kāi)發(fā)了一種新型的三維共價(jià)有機框架(3D COF)，具備高密度的鋰親和位點(diǎn)，作為鋰金屬電池保護層。這種3D COF通過(guò)[6+4]合成策略制備，利用6連接的環(huán)三磷腈衍生物醛和4連接的卟啉基四苯基胺。COF中的磷腈環(huán)和卟啉環(huán)作為電子豐富和親鋰位點(diǎn)，提高了三維方向上均勻的Li+通量，從而實(shí)現了高度平滑和致密的Li沉積。這種結構不僅提高了Li/Por-PN-COF-Cu電池的庫侖效率(320個(gè)循環(huán)內平均CE達到99.1%)，